MIT工程師開發(fā)通過離子實現(xiàn)對大腦學習過程節(jié)能模擬的AI系統(tǒng)

近日，MIT工程師設(shè)計出了一種像大腦突觸一樣運作的AI系統(tǒng)，這種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)，基于離子的技術(shù)可以實現(xiàn)對大腦學習過程的節(jié)能模擬，為物理神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提供更快，更可靠和更節(jié)能的方法。

世界各地的團隊正在建立一種稱為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的更為復(fù)雜的人工智能系統(tǒng)，該系統(tǒng)以某種方式模仿大腦的布線，以執(zhí)行諸如計算機視覺和自然語言處理之類的復(fù)雜任務(wù)。使用最新的半導體電路來模擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)需要大量的內(nèi)存和高功耗?，F(xiàn)在，麻省理工學院的一個團隊已朝著另一種系統(tǒng)邁進了一步，該系統(tǒng)使用了物理模擬設(shè)備，可以更加有效地模擬大腦過程。

麻省理工學院教授Bilge Yildiz，Ju Li和Jesúsdel Alamo以及麻省理工學院和布魯克海文國家實驗室的其他9位研究人員在論文《Nature Communications》中描述了這一發(fā)現(xiàn)。該論文的創(chuàng)作者是夏霞瑤，他是前麻省理工學院的博士后，目前在GRU能源實驗室從事儲能工作。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)試圖模擬在大腦中進行學習的方式，這是基于逐漸增強或減弱的神經(jīng)元之間的連接（稱為突觸）而建立的。該物理神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的核心組件是電阻開關(guān)，其電導率可以電氣控制。這種控制或調(diào)節(jié)模擬了大腦中突觸的增強和減弱。

在使用常規(guī)硅微芯片技術(shù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，這些突觸的模擬是一個非常耗能的過程。為了提高效率并實現(xiàn)更雄心勃勃的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)目標，近年來，研究人員一直在探索許多物理設(shè)備，這些物理設(shè)備可以更直接地模仿突觸在學習和遺忘過程中逐漸增強和減弱的方式。

迄今為止，對于這種模擬突觸，大多數(shù)候選模擬電阻裝置要么在能量使用方面效率很低，要么在一個裝置到另一個裝置或一個周期到下一個周期的執(zhí)行不一致。研究人員說，新系統(tǒng)克服了這兩個挑戰(zhàn)?！拔覀儾粌H要解決能源挑戰(zhàn)，而且還要解決普遍存在的一些現(xiàn)有概念中與重復(fù)性相關(guān)的挑戰(zhàn)，”

“我認為當今構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的瓶頸是能效。特別是在無人駕駛汽車等邊緣應(yīng)用上花費太多的精力，”教授del Alamo說。他補充說，訓練這些復(fù)雜的應(yīng)用程序?qū)τ诋斀竦募夹g(shù)來說根本不可行。

這項工作中的電阻開關(guān)是一種電化學設(shè)備，由三氧化鎢（WO 3）制成，其工作方式類似于電池的充電和放電。Alamo解釋說，根據(jù)所施加電壓的極性和強度，離子（在這種情況下為質(zhì)子）可以遷移到材料的晶格中或從材料的晶格中遷移出來。這些變化會一直存在，直到被反向施加的電壓改變?yōu)橹梗ň拖裢挥|的增強或減弱一樣）。

在新的模擬突觸中，顯示為H +的氫離子（質(zhì)子）可以在氫存儲材料（R）和活性材料（A）三氧化鎢之間來回遷移，穿過電解質(zhì)層（E）。離子的移動受通過金電極（S和D）施加的電壓的極性和強度控制，這反過來會改變設(shè)備的電阻。從而模擬內(nèi)存。

“這種機制類似于半導體的摻雜?！痹谠撨^程中，通過將外來離子引入硅晶格，可以將硅的電導率改變許多數(shù)量級。“傳統(tǒng)上，這些離子是在工廠植入的，”但是，有了新的設(shè)備，這些離子就會以動態(tài)，持續(xù)的過程被泵入和泵出晶格。研究人員可以通過控制電壓來控制有多少“摻雜”離子進入或流出，并且已經(jīng)證明了非常好的重復(fù)性和能效。

這個過程“非常類似于生物大腦突觸的工作方式。在那里，不使用質(zhì)子，而是使用其他離子，例如鈣，鉀，鎂等，通過移動這些離子，實際上改變了突觸的抵抗力，這是學習的要素?！?在其裝置中的三氧化鎢中發(fā)生的過程類似于在生物突觸中發(fā)生的電阻調(diào)節(jié)。

“我們在這里展示的內(nèi)容，”Alamo說，“即使它不是一種優(yōu)化的設(shè)備，其電導率單位變化所產(chǎn)生的單位面積能耗也接近于大腦?！?，試圖用傳統(tǒng)的CMOS型半導體完成相同的任務(wù)將耗費一百萬倍的能量。

選擇用于演示新器件的材料是因為它們與當前的半導體制造系統(tǒng)兼容。但是它們包含限制設(shè)備耐熱性的聚合物材料，因此研究小組仍在尋找設(shè)備質(zhì)子傳導膜的其他變化以及為長期運行而封裝氫源的更好方法。

在該設(shè)備的材料級別上，有很多基礎(chǔ)研究要做。 正在進行的研究將包括“如何將這些器件與現(xiàn)有的CMOS晶體管集成的工作”。所有這一切都需要時間，而且它提供了巨大的創(chuàng)新機會，也為我們的學生發(fā)展職業(yè)提供了巨大的機會。